石墨烯是一种具有极高理论比表面积的碳材料,它拥有高导电性、高化学惰性、高热稳定性和出色的机械性能等显著优点,因此,它在众多领域均具有广泛的应用,诸如能量储存与转化、催化应用以及热管理等领域。特别地,由于石墨烯的高导电性、高化学稳定性和出色的机械性能,它通常在能量储存与转化和催化领域被用作优秀的电极基底,不过,目前为止绝大多数石墨烯的研究与应用均是基于它的粉体形式,从而存在着一系列的问题,比如多步骤、复杂和耗时的电极制备过程,且可能需要Nafion来固定电极上的催化剂,而且缺乏一定的溶液扩散通道、缺乏催化剂对电解质的充分暴露和接触,以及缺乏对电化学电极上催化剂的精确定量等等。而石墨烯三维网络结构(G3DN)可以完美地克服粉体形式石墨烯的诸多缺点,不仅保留了石墨烯高比表面积、出色的导电性和电化学稳定性等石墨烯自身的优点,还拥有电极制备极为简单、丰富的三维电解液扩散孔道、电极结构稳定性好无需Nafion作为催化剂固定膜等独特优势。于是,本文选取G3DN作为研究对象,制备出G3DN并基于它构建了性能出色的甲醇乙醇电催化电极、葡萄糖检测电极和电化学储能电极,且基于这些电极拓展了电化学电极的种类和制备方法。本文的具体研究要点如下:(1)在硅衬底上生长了G3DN,并在G3DN上担载铂纳米颗粒用于甲醇和乙醇的电催化氧化。铂纳米颗粒在G3DN上的可控担载通过一种简单、可重复和环境友好的方法完成。G3DN对电催化活性的影响用担载了同样量铂纳米颗粒的商业粉体石墨烯(CGS)做了对比研究。Pt/G3DN(0.01 mg cm-2)电极对甲醇和乙醇均展现了极好的电催化活性,对它们的电催化氧化峰电流分别是910.11 mA mg和246.69 mA mg,这是由于Pt/G3DN电极高密度的三维活性位点、波浪形石墨烯片三维网络通道以及铂纳米颗粒和石墨烯的协同效应。该电极正向和反向电势扫描得到的氧化峰电流密度的比值对于甲醇和乙醇分别是2.79和0.65。这些结果揭示了Pt/G3DN电极优异的特性,如易制备、高催化活性、高稳定性和对甲醇电催化氧化的高耐毒性。(2)由于葡萄糖的催化氧化只可能发生在催化剂的表面上,所以增大催化剂的比表面积是获得高催化性能的有效途径之一。于是,本文发展了一个极为简单却非常有效的方法来制备了高灵敏度且无Nafion固定膜的无酶葡萄糖传感器电极,即通过在生长于柔性碳纸(CP)上的G3DN上原位沉积Cu2O纳米颗粒而制得,且它所担载的催化剂可以精确定量。并通过制得的传感器电极Cu2O/G3DN/CP获得了极为出色的葡萄糖传感性能,如灵敏度和响应时间分别是(2.31±0.03)×103μA mM-1 cm-2和1.6 s,检测极限是0.14±0.01μM,线性范围为0.48μM~1813μM等。此外,该传感器表现出了良好的性能稳定性,在10日之后灵敏度依然保持了初始值的95.5%。特别地,由于Cu2O纳米颗粒可以精确定量地沉积在G3DN上,这有利于公共健康领域和工业上传感器的大规模生产和其性能的精确控制。此外,这里制备葡萄糖传感器电极Cu2O/G3DN的方法可以应用到其他类似的电化学传感器。(3)由于法拉第氧化还原反应主要发生在氧化还原赝电容材料的表面,所以增大氧化还原赝电容材料的比表面积是一个获得优异电化学储能性能的有效途径。于是,本文发展了一个无粘合剂的三维构架电极用于高倍率电化学储能,该电极是由一个通过化学气相沉积方法直接在可弯曲的碳纸上生长的G3DN和在石墨烯上原位热分解生长的NiO纳米颗粒组成,记为NiO/G3DN/CP,它具备大比表面积和快速电子转移通道。该电极独特的结构设计使其获得杰出的性能,在电流密度为0.5 mA cm-2(0.67 A g-1)同时NiO纳米颗粒担载量为0.7471 mg cm-2的条件下获得了89.1 mAh cm-2(119.2 mAh g-1)的比容量。同时,该电极展示了出色的倍率性能和循环稳定性,在深放电3000次之后依然拥有初始容量的85.5%。此外,基于NiO/G3DN/CP电极我们制作了面积为4cm2固态对称型电化学电容器,两个这种电容器串联可以点亮100盏绿色发光二极管(LED)2分钟。G3DN担载纳米NiO的电极构架可应用于不同种类的赝电容纳米材料以获得高倍率能量储存并提高器件的整体储能性能。